지진 하중에 의한 액체 저장 탱크 내 슬로싱 압력 특성 CFD 분석 연구

Abstract

본 연구에서는 전산 유체 역학을 이용하여 액체 저장 탱크에서 발생하는 지진에 의한 슬로싱 효과를 분석하였다. 이를 위해 지진방재연구센터에서 실시한 정사각형 물탱크를 사례 연구로 선정하였다. 모델 검증은 일정한 주기를 가지는 정현파 형태로 가진된 진동대 실험 데이터와 물탱크에 대한 시뮬레이션 결과를 비교 분석하였다. 분석된 결과를 토대로 지진 슬로싱으로 인하여 물탱크 벽면에 작용한 압력 응답을 현실적으로 추정하기 위해, 실제 발생했던 지진 데이터를 이용하였다. 여기에는 비슷한 최대 지반 가속도를 가진 1940년 El Centro 지진, 2016년 경주 지진 및 2017년 포항 지진 등 3 개의 지진 데이터가 적용되었다. 동적 분석 중에 기록되는 벽면의 다양한 응답분석을 고려하기 위해, 압력은 시간 이력과 파워 스펙트럼 밀도(power spectrum density, PSD)를 통해 분석되었다. 마지막으로 3개 지진에 대한 슬로싱 해석을 통해 얻은 최대 압력을 내진 설계 지침에서 계산된 설계 압력과 비교함으로써, 설계식으로 제작된 탱크의 안전성을 검토하였다. El Centro 지진파의 최대지반 가속도가 설계 가속도인 0.4 g보다 작지만, El Centro 지진으로 인한 최대 압력이 설계 압력을 초과하는 결과가 나타났다. 반면에 국내의 두 지진으로 인한 최대 압력은 설계 압력에 미치지 못하였다. 이를 통해 물탱크의 설계 압력을 결정할 때, 최대지반 가속도 이외의 하중에 다양한 가진 형태를 고려해야함을 확인 할 수 있었다.